KRAIBÜHLER, HERBERT** ügyvezetõ igazgató
Az energiafelhasználás az utóbbi idõben az egész világra kiterjedõ politikai témává vált. A mûanyag-feldolgozó iparban is egyre inkább elõtérbe kerül az erõforrások gazdaságos kezelése. A termelékenységnövelés, az automatizálás és a folyamatkompetencia mellett napjainkban az energiahatékonyság is a fontos sikertényezõk közé tartozik. Az ARBURG már azelõtt is kiemelt figyelmet fordított az energiatakarékosságra 1. ábra. A fröccsöntési folyamat teljes energiamérlege saját termékeit és azok gyártását illetõen, hogy az energiaárak az utóbbi idõben taelektromos energia és az elvezetett, vagyis a hõenergia pasztalható mértékben megemelkedtek volna. A vállalat egymáshoz viszonyított aránya határozza meg. A teljes hosszú idõ óta arra törekszik, hogy kihasználja az összes fröccsöntési folyamat több elhatárolható feladatra és feúj, innovatív lehetõséget az energiatakarékos gyártás és lelõsségi területre tagolható: fröccsöntõ gép, szerszámok a környezet tehermentesítése érdekében. Ezen túlmenõés perifériák (1. ábra). en az energiatakarékos gyártással ahhoz is hozzájárul, hogy az energiafelhasználást ügyfeleinél csökkentse. A hulladékhõ fajtája szerinti megkülönböztetés Ezeket az intézkedéseket az „Energy Efficiency Alaposabb megfigyelés során megállapíthatjuk, hogy Allround” kezdeményezés foglalja magában. az elvezetett energiának két típusa van, az egyik a környezetnek leadott hulladékhõ. Ide tartozik a képlékenyíA fröccsöntés energiamérlege tõ henger, a gépállvány (olajtartály és kapcsolószekA fröccsöntött mûanyag alkatrészek gyártását a nörény), továbbá a szerszám (amennyiben fûtött szerszámvekvõ energiaköltségek miatt fokozottan elemzik és ról van szó) és a szobahõmérsékletre lehûtött kész fröccsvizsgálják az energiafelhasználás és -takarékosság szemöntött alkatrész sugárzása és konvekciója. pontjából. A gyártóeszköz és -berendezés kiválasztása A másik típust a hûtõvízzel együtt vezetjük el. Ide nagymértékben befolyásolja a fröccsöntõ-gyártórendtartozik az olajhûtés, a kapcsolószekrény folyadékkal szer késõbbi hatékonyságát. Éppen ezért nagyon fontos, történõ temperálása, valamint a szerszámtemperálás hûhogy a fröccsöntési folyamatot integrált egységként ketõ- vagy temperáló készülékek alkalmazásával. zeljék. Ahhoz, hogy a fröccsöntõ-rendszer energiatakaréA fröccsöntési folyamat során a mûanyag többfokozatú energiaátalakuláson megy keresztül, mialatt granulátumból kész alkatrésszé alakul. A granulátum kondicionálástól a képlékenyítésen és az alakadáson keresztül egészen a lehûtés folyamatáig energiafelvétel, -szállítás és -leadás megy végbe. A fröccsöntõ gép mellett további energiafogyasztók mûködnek közre, amelyek az alkalmazástól függõen jelentõsen hozzájárulhatnak a teljes energiafelhasználáshoz. A fröccsöntõ-gyártórendszer energia- 2. ábra. Sugárzással a környezetbe távozó és a hûtõvízzel hasznosítható hõmennyiség mérlegét a bevezetett, túlnyomórészt *Fordította
és sajtó alá rendezte Hollikné Fintor Gabriella, az Arburg Hungária Kft. ügyvezetõ igazgatója
**Arburg
2008. 45. évfolyam, 9. szám
341
Mûszaki fejlesztések
Hatékony energiafelhasználás a fröccsöntésben*
kosságát összességében lehessen értékelni, a környezetet fûtõ, illetve a hûtõvizet melegítõ energiákat el kell különíteni egymástól. Amíg a környezet levegõjét felmelegítõ hõt klímaberendezésekkel vagy szellõzõrendszereken keresztül legtöbbször „drágán” kell eltávolítani, addig a hûtõvízzel távozó energia újrahasznosítható, amennyiben ezt más folyamatokhoz rendelik hozzá, és ezáltal újrafelhasználják (2. ábra). 3. ábra. Energiaveszteség energiaátalakulásnál 1
Az energiatakarékosság meghatározása A fröccsöntési folyamat energiafelhasználását a primer elektromos energia meghajtási vagy hõenergiává történõ hatékony átalakítása határozza meg. A különbözõ fröccsöntési folyamatok és – a hatékonyabb mérés érdekében – a különbözõ fröccsöntõ-gyártórendszerek összehasonlítási alapjaként a mûanyag energiaigénye, az ún. entalpia használható. Az anyagfüggõ entalpia az 1 kg anyag felolvasztásához 4. ábra. Energiaveszteség energiaátalakulásnál 2 elméletileg szükséges hõenergia. Ez a mûanyag granulátum olvadékká történõ átalakításához elméletileg szükséges enerEnergia-megtakarítási potenciál giaigény az egész folyamat hatékonyságának meghatáHa az olvadékban lévõ hõenergiát felhasznált energirozására használható. ának tekintjük, akkor ez és a bevezetett energia különbA fröccsöntõ gép energiafelhasználását, a gépek jelsége az energiaveszteség. Az energiahatékonyság növelemzõin kívül, a folyamat jellege is nagymértékben beléséhez tehát ezt kell csökkenteni. folyásolja. Ha csak a fröccsöntõ gépek energiafelhasznáEgy fröccsöntõ gép bevezetett, illetve elvezetett enerlását hasonlítjuk össze, akkor a különbözõ folyamat-begiájának döntõ része a meghajtórendszerbõl ered. Az állítások és -sorrendek figyelmen kívül maradnak. Ezért gyakran érdemesebb a fajlagos energiafelhasználást al- energiatakarékos mûködés tehát a kiválasztott meghakalmazni. Ezeket az értékeket a töltetsúly és ciklusidõ is jtórendszertõl és annak méretezésétõl függ (4. ábra). befolyásolja, így az energia-megtakarítás közvetlenül az Az energia-megtakarítási képesség alkalmazással összefüggésben határozható meg. A Azt az energiát, amelyet nem vezetnek be, nem is fröccsöntõ gépek energiatakarékosságának meghatározásakor kizárólag a saját energiafelhasználás figyelembe kell elvezetni. A hatékonyságjavítás elsõ lépése tehát a kisebb energiafelhasználás. A jobb szigetelés és a mérvételével végezhetõ valós összehasonlítás. Az energia optimális használata megköveteli a sékeltebb energiafelhasználású meghajtórendszer alkalfröccsöntõ-gyártórendszer energiatakarékos üzemi pont- mazása mellett a meghajtórendszer hatékonyabb hasznáok és ezzel az optimális hatásfokú munkapontok ismere- lata is fontos. Mivel az energiaveszteséget általában hõként kell elvezetni, az energiafelhasználás is csökken a tét. géphûtés mérsékeltebb energiaigénye miatt. Mérlegelve a további lehetõségeket, energia folyadékhûtésû meghajA hatékonyság meghatározása A folyamatba bevezetett energiát el is kell vezetni. tórendszerek alkalmazásával is megtakarítható, amelyek Ha a mûanyag elméleti energiaigényét (entalpia) tekint- újrahasznosítják az elvezetett energiát. A fröccsöntési ciklus egyes elemeinek eltérõ energiajük viszonyítási pontnak, és a ténylegesen bevezetett energiához hasonlítjuk, akkor kiszámítható a fröccsöntõ- igénye miatt a meghajtásnak biztosítania kell a mindenrendszer vagy a gép hatásfoka, azaz a mûanyagba beve- kor szükséges energiát. Ebbõl a szempontból elõnyösebb az elektromechanikus közvetlen meghajtás, mivel azt zetett teljes energia részaránya (3. ábra). csak az alkalmazás idõtartamára kell bekapcsolni, és nyugalmi állapotban lényegesen kevesebb energiát fo-
342
2008. 45. évfolyam, 9. szám
gyaszt. Ez a meghajtás különösen a hûlési fázisban takarít meg energiát a kisebb üresjárati veszteség miatt. A fröccsöntõ gép kialakítása határozza meg a meghajtástechnika méretezését, ezáltal annak alap-energiafelhasználását és teljesítményét is. A képlékenyítõ egység szigetelése Az egyik legjelentõsebb fogyasztó, a képlékenyítõ egység által sugárzott hõ csökkentésének legegyszerûbb módja a megfelelõ szigetelés kialakítása. Az ARBURG hengermodulok ebbõl a szempontból a legmodernebbek közé tartoznak. A hengermodulok szigetelésének tervezésénél feltétlenül figyelembe kell venni, hogy a túl vastag szigetelés a hõmérséklet szabályozhatóságát negatívan befolyásolja. A hatékonyságra való törekvés mellett a fõ cél az ellenõrzött, reprodukálható folyamat megvalósítása. Meghajtástechnika Egy szabványnak megfelelõ fröccsöntõ gép legalább öt mozgatótengellyel rendelkezik: szerszám, kidobó, adagolás, befröccsölés és fúvókamozgatás. A hidraulikus meghajtású gépeknél ezeket a mozgatótengelyeket elektromotorral és szabályzószivattyúval üzemelõ központi hidraulika-meghajtás mûködteti. A fröccsöntési folyamatban az egyes mozgások energiaigényétõl függõen a szükséges szállítótérfogatot szabályzókörön keresztül biztosítják. A szivattyúmotor eközben állandó fordulatszámon üzemel. Hátrány viszont, hogy az ehhez hasonló hidraulikahajtások csekélyebb szállítótérfogatnál kevésbé hatékonyak. Itt kapcsolódik be az ARBURG energiatakarékos rendszere, az AES, amelynél a szivatytyúmotor meghajtó teljesítménye a gép tényleges energiaigényéhez és a szállított olaj térfogatához igazodik. Az Allrounder S hidraulikus gépcsalád felépítése ráadásul lehetõvé teszi, hogy az egyes mozgatótengelyeket decentralizált elektormechanikus meghajtással szereljék fel az optimális energiafelhasználás érdekében. Arburg energiamegtakarító rendszer Az AES mögött álló alapötlet nagyon egyszerû: hosszú ciklusidejû alkalmazásoknál a szivattyúmotor hajtóerejét a gép kisebb energiaigényéhez igazítják a fröccsöntési ciklus azon fázisaiban, amelyekben a hidraulikus mozgatótengelyek nem lépnek mûködésbe. A fordulatszám és ezzel a szivattyúmotor teljesítménye a tényleges energiaigényhez illeszkedik, pl. a hosszú hûlési idõk alatt, ahelyett, hogy tartósan a névleges fordulatszámon alacsony hatásfokkal mûködne. Ha a „pihenõ fázist” követõen újra a teljes meghajtóerõre van szükség, akkor a szivattyúmotor fordulatszáma ismét a névlegesre, és ezzel a névleges teljesítményre növelhetõ.
2008. 45. évfolyam, 9. szám
Az elektromotor fordulatszámát frekvencia-átalakító állítja be fokozatmentesen a tényleges teljesítményigényre. A motor tehát alacsonyabb terhelésnél is optimális hatásfokkal és megfelelõen alacsony energiafelhasználással mûködik. A szivattyú fordulatszámának a ciklushoz igazodó csökkentésével az üresjárati veszteség minimálisra csökkenthetõ. A teljes ciklusra vonatkoztatva akár 30%-os energia-megtakarítás is elérhetõ. A pozitív mellékhatás a gép kisebb zajkibocsátása az alacsony fordulatszámoknál. Az optimális hatékonyságú meghajtások emellett a kopást is csökkentik, és a keletkezõ hõmennyiség is kisebb lesz, így a hûtõrendszer mûködése közben is energia takarítható meg. AED elektromos adagolás A meghajtórendszer energiafelhasználásának optimalizálásához annak összhatásfokát kell javítani, mely az egymásután kapcsolt energia-átalakítók hatásfokának szorzataként számítható ki. Minél több alkotóeleme van a meghajtórendszernek, annál rosszabb lesz az összhatásfok, és annál nagyobb lesz az energiafelhasználás. Ez különösen jól látható a forgó adagolómozgás példáján, amelynek hatásfoka 60%-kal a hidraulikus alternatíva felett van. A teljes ciklust tekintve akár 30%-os energiamegtakarítás is elérhetõ. Pozitív mellékhatás az adagolómozgás függetlensége a hidraulika-meghajtástól. A más gépmozgásokkal egyidejû adagolással jelentõsen csökkenteni lehet a ciklusidõket. Ráadásul az olvasztás kíméletesebben zajlik, mivel kisebb csigafordulatszámmal lehet dolgozni. Az elektromos adagolóhajtások kevesebb hõt termelnek, így a hûtõrendszer mûködése közben is energiát lehet megtakarítani. Az advance gépcsaládnál a hidraulikus meghajtású gépek energia-megtakarítási lehetõségeit egymással kombinálják. A fejlett modellek optimális energiafelhasználású, magas reprodukáló pontosságú gép elõnyeit kínálják, amely kiváló ár/érték aránnyal párosul. A teljes ciklusra vetítve 30% energia-megtakarítás is lehetséges (5. ábra).
5. ábra. A hidraulikus és az elektromos meghajtás hatásfoka
343
Elektromos Allrounder A Az elektromos gépeknek egymástól független elektromechanikus közvetlen meghajtása van, minden mozgatótengelyhez egy-egy elektromotor tartozik. A hidraulikus meghajtással összehasonlítva az elektromechanikus közvetlen meghajtások egyértelmûen nagyobb hatásfokúak. Ez annak köszönhetõ, hogy a motor csak akkor kapcsol be, amikor mozgatásra van szükség, így az utána következõ nyugalmi fázisban szinte nem állít elõ üresjárati veszteséget. Emellett a hidraulikus meghajtással összehasonlítva az elektromechanikusnál egy energia-átalakítóval kevesebb tartozik egyes részekhez, így a hidraulikus meghajtás általában kevésbé hatékony, amikor a hatékonysági szintek összeszorzódnak. A teljes ciklusra vonatkoztatva az elektromos gépekkel 50%-os, egyedi esetekben akár 75%-os energia-megtakarítás is lehetséges. Pozitív mellékhatás a gépek kisebb zajkibocsátása. A folyadékhûtéses motorok alkalmazása emellett a környezõ levegõbe történõ hõleadást is mérsékli. Az elektromosan közvetlenül meghajtott fröccsöntõ gépek azonban nem csak energetikai és zajcsökkentõ elõnyökkel rendelkeznek, hanem a folyamatok néhány fontos követelménye szempontjából is kedvezõek, ami alkalmazási területüket is bõvíti. Ezek a tulajdonságok fõként a gépek dinamikus és pontos mozgásában nyilvánulnak meg. Mindez fokozottabb folyamatstabilitást és reprodukálhatóságot, valamint rövidebb ciklusidõt eredményez.
sével, és ezáltal a fröccsegység növekvõ kihasználtságával csökken. Minél nagyobb tehát a különbség a beépített összteljesítmény és a tényleges fogyasztás között, annál nagyobbak lesznek a veszteségek. A fröccsöntõ gép méretezése tehát kulcsfontosságú a hatékony energiahasznosítás szempontjából. Az energiafelhasználási különbség az egyes meghajtási technológiák között a teljes mûködési tartományban gyakorlatilag állandó marad. Egy optimális energiafelhasználású hidraulikus gép energia-megtakarítási képessége 20–30%-os lehet. Az elektromos gépeknél ez 25– 50% között van, egyes esetekben elérheti a 75%-ot. Az energiahatékonyság növelése azonban folyamatoptimalizálással vagy más folyamatok alkalmazásával azonos anyagáramlás mellett csak bizonyos mértékig lehetséges. Energiatakarékos kialakítás A fröccsöntõ gép szíve a fröccsegység. Ennek fõ feladata az optimális olvadék-elõkészítés különbözõ folyamat-beállítások mellett. Ezért többnyire a fröccsegységnek a legnagyobb az energiafogyasztása. Mérete határozza meg a fröccsöntõ gép beépített összteljesítményét, és ezzel a meghajtás üresjárati veszteségét. A fröccsegység méretének kiválasztása nemcsak a fröccsalkatrész minõségét, hanem az energiafelhasználást is nagymértékben befolyásolja. A hatékony mûködés és energia-megõrzés kialakításában fontos szerepe van a fröccsegység lehetõ legnagyobb mértékû kihasználásának a maximális anyagáramláshoz képest.
Fajlagos energiafelhasználás összehasonlítása A 6. ábra a különbözõ fröccstechnológiák fajlagos energiafelhasználását mutatja az anyagáramlás függvényében különbözõ kiépítésû gépek esetén. Elméletben az ábra más gépkiépítésekre is alkalmazható, ahol hasonló összefüggések adódnak. Azonos anyagáramlásnál az elektromos gépek egyértelmûen energiatakarékosabbak, mint a hidraulikusak. A fajlagos energiafelhasználás az anyagáramlás növekedé-
A beépített összteljesítmény nem azonos az energiafelhasználással
Egy gép vagy berendezés energiaviszonyainak vizsgálatakor az elsõ szembetûnõ jellemzõ a beépített összteljesítmény. Ennek nagysága jellemzi a gépre vagy gyártó berendezésre csatlakoztatott vagy csatlakozni tudó fogyasztók összességét, beleértve pl. az aljzatokat vagy a melegcsatorna-szabályozókat. Míg a hidraulikus gépeknél a központi hidraulika-meghajtás a döntõ a beépített teljesítmény szempontjából, addig az elektromos gépeknél az egyes mozgatótengelyek meghajtó teljesítménye összeadódik, ami nagyobb beépített összteljesítményt eredményez. Ez nem függ össze a gép energiafelhasználásával, hanem annak teljesítõképességét jellemzi. Az energiafelhasználást a ténylegesen felvett teljesítmény határozza meg, amely a bekapcsolt fogyasztók mûködési idõtartamától, kihasználtságától és hatásfokától függ. 6. ábra. Fajlagos energiafelhasználás a kihozatal függvényében különbözõ Ezeket a tényezõket viszont a fröccsöntési gépeknél
344
2008. 45. évfolyam, 9. szám
ciklus befolyásolja. A nagy beépített összteljesítmény ezért nem jelent egyidejûleg magas energiafelhasználást! Szerszámok energetikai vizsgálata Az ömledékbe bevezetett energiát a befröccsöntés után el kell vezetni. Az energiatakarékos mûködés szempontjából döntõ, hogy milyen mértékben hasznosítható tovább az elvezetett hõ. Az egyenletes gyártási minõség biztosítása érdekében a folyamat feltételeinek vál7. ábra. A szerszám energiamérlege tozatlanoknak kell lenniük, tehát a veszteségeket ki kell egyenlíteni. A 7. ábra a hõszállítási folyamatokat mutatja a szerszámban. A folyamat módjától függõen, azaz hogy a szerszámnak hûtöttnek vagy fûtöttnek kell-e lennie, különbözõ intézkedések megvalósítása ajánlott. Temperált szerszám esetében pl. nagyon fontos a megfelelõ szigetelés biztosítása. Rosszul szigetelt háznál nagy mennyiségû hõ távozik felhasználatlanul a fröccsöntõ gép környezetébe. A fûtõcsatornák 8. ábra. Energia-megtakarítás szigetelõlapok beépítésével szigetelése is segíti az energia-megtakarítást. Lényeges, hogy a temperáló kiépítése mel kísérésére és dokumentálására is szükség van. Ebösszhangban álljon a szerszám által igényelt temperáló ben segít az ARBURG AQS minõségbiztosítási rendszere. teljesítménnyel. Temperált szerszámokkal akár 60% energia is megtakarítható megfelelõ szigetelés kialakítá- Összefoglalás sával (8. ábra). A fröccsöntõ-gyártórendszer energiafelhasználását és kibocsátását javarészt a fröccsöntõ gép konfigurációEnergiatakarékos termelésszervezés jából határozzák meg. A modern meghajtó rendszerek, A gyártási folyamatok optimalizálása és az elõrelátó különösen a közvetlenül meghajtott elektromos mozgagyártástervezés lehetõvé teszi sok olyan, gyakran elha- tótengelyek (esetleg hidraulikus hajtásokkal kombinálnyagolt intézkedés megvalósítását, amelyek hozzájárul- va) több mint 50% energiamegtakarítást tesznek lehetõnak az energiahatékonyság fokozásához. Ezek közül a vé. Az alkalmazáshoz illeszkedõ optimális gépméret kilegfontosabb az állás- és elõkészítési idõk, valamint a alakításához az ARBURG a záró- és fröccsegységek komfelfûtési fázisok idejének csökkentése. Az ARBURG ALS binációjának széles választékát kínálja, így optimális vezér-számítógépes rendszer áttekinthetõ gyártásterve- energiahatékonyságú rendszerek állíthatók össze. Enerzést tesz lehetõvé. giatakarékos elektromos közvetlen hajtások és vízhûtésû A megelõzõ karbantartás a gépek állásidejét is csök- motorok alkalmazásával a környezeti zaj- és hõkibockentheti. A fröccsöntõ gép reprodukálási pontosságát sátás jelentõsen csökkenthetõ. csak megelõzõ karbantartással lehet megtartani, ami a A mûszaki alkatrészek gyártási folyamata gyakran további minõségbiztosítási intézkedéseknek is elõfelté- különbözõ perifériák alkalmazását igényli, amelyek tele. Az ARBURG inspekciós szerzõdéseket kínál a energiafelhasználása és -kibocsátása a fröccsgéppel fröccsöntõ gépek újrakalibrálásához. megegyezõ lehet, ezért az itt jelentkezõ energia-megtaA minõségbiztosítási intézkedésekkel csökkenthetõ a karítási lehetõségeket is vizsgálni kell. selejthányad, ezzel energia takarítható meg, hiszen a seTovábbi energia-megtakarítási lehetõségek fedezhelejtes alkatrészekhez is energiára volt szükség, a nyers- tõk fel a nem hatékony munkasorozatok, valamint instaanyag költségekrõl nem is beszélve. bil gyártási folyamatok elemzésével és azonosításával, A selejthányad csökkentéséhez a folyamatstabilitásra amelyek a szerszámtechnika javításával és az automativonatkozó ismeretek minõsített folyamatértékeléssel zálási eszközök fokozottabb alkalmazásával érhetõk el. szerezhetõk meg, emellett a gyártási folyamat figyelem-
2008. 45. évfolyam, 9. szám
345
